中国南方和西北地区早—中三叠世遗迹化石生态特征及其对海洋生态系统复苏过程的响应

发布时间：2020-10-26 22:16

　　 越来越多的证据表明遗迹化石的生态学指标能够精确地揭示大灭绝之后海洋生态系统的复苏过程和模式,为探讨重大地质突变期生物与环境协同演化规律与机制提供实证。本论文通过对采自中国南方和西北地区下、中三叠统地层中大约20000余块遗迹化石标本或照片进行详细的研究,系统描述了33个遗迹属和47个遗迹种(含未定种),并利用多种定量或半定量的遗迹生态学指标,如遗迹分异度、虫管尺寸大小、潜穴深度、遗迹行为复杂度、基底生物扰动程度等来综合评价大灾难之后造迹生物的复苏阶段。在此基础上,将这些遗迹化石的生态学特征与全球数据进行了对比研究,特别强调了造迹生物在早三叠世早期和中三叠世早期这两个重要时期的造迹生态行为特征以及它们在生物复苏研究上的应用。本论文在下列四个方面取得了一些新的认识。(1)首次报道了西北地区早三叠世印度期的两个分异度特别高的遗迹化石组合,它们分别产自陕西省岐山县后周公庙剖面和青海省天峻县织合玛剖面。前者包含16个遗迹属,主要由一些生态级次较低的分子组成,如海蛇尾和节肢动物形成的遗迹:Asteriacites,Biformites,Dimorphichnus,Monomorphichnus和Diplichnites等,而缺少高生态级次的遗迹属:Thalassinoides,Diplocraterion和Rhizocorallium。遗迹化石的基底地层生物扰动程度微弱,遗迹虫管尺寸很小,基底混合层缺失。与全球同时期的高分异度的遗迹化石组合对比发现,除了非常高的遗迹分异度之外,后周公庙遗迹化石组合在其它所有生态学指标上都明显不同,指示了造迹生物处于复苏的最初阶段。织合玛剖面印度阶下环仓组产出两个高分异度遗迹化石组合;其下段地层产出12个遗迹属,以高生态级次的垂直虫管类型:Diplocraterion,Rosselia和Skolithos为主,此外还包括具有复杂网络结构的Thalassinoides和Rhizocorallium遗迹属。该遗迹动物群的虫管尺寸很大,部分潜穴直径大于20 mm。垂直虫管Diplocraterion在垂向上渗透入地层中的深度可达30 cm,底质的生物扰动也十分强烈。该组上段地层也产出一个遗迹分异度相似,各项遗迹生态指标稍低的遗迹化石组合。与全球同时期的高分异度的遗迹化石组合对比发现,织合玛剖面遗迹化石组合整体生态特征与其它地区同时期的遗迹化石组合十分相似,都指示了很高的复苏水平,达到复苏的第3阶段。与此同时,全球同期大多数遗迹化石组合则处于生物复苏的初级阶段(1-2阶段)。全球大数据表明早三叠世早期的高分异度的遗迹动物群都出现在浅海环境,指示浅海水域对造迹生物的灾后繁盛更为有利。不过,造迹生物的灾后繁盛并没有环境的选择性,相同的浅海环境并不保证遗迹化石的多样性总是高,其它物理化学因素:氧含量、沉积速率、埋藏学、盐度变化、富营养化、海洋酸化、高温等,对造迹生物的复苏和繁盛与否同样非常重要。此外,印度期的遗迹化石分异度的高与低并不能指示造迹生物的复苏阶段和程度。高分异度的遗迹群落在印度期同时出现在中-高纬度和低纬度地区,反映造迹生物的多样化与纬度(或气候带)无关。(2)采自湖北省利川市齐岳山剖面的遗迹化石代表了早三叠世晚期斯密斯亚期的遗迹化石组合,含13个遗迹化石属。该遗迹动物群既包含简单虫管,又有垂直和复杂的遗迹类型,代表了较复杂、生态等级较高的造迹行为。该遗迹化石组合具有较高的分异度、较大的潜穴直径、较高的生态级次和复杂度,其基底的生物扰动程度也比较强烈,指示造迹生物达到了较高的复苏阶段。全球大数据显示大部分遗迹组合在该时期达到了相似的复苏水平,造迹生物主要在离岸过渡环境中繁盛。另外,世界各地斯帕斯亚期的遗迹组合在分异度、虫管大小、垂向延伸深度、遗迹复杂度、底质扰动程度等各种生态指标都比斯密斯亚期的同样指标显得更高,指示复苏第3阶段水平,反映了当时海洋中生物和环境整体性复苏。(3)云南地区两个中三叠世安尼期的遗迹化石组合分别产自师宗县拨云剖面和大理市洱源县军马场剖面。前者包含六个遗迹属,以具有复杂的虫管网络、生态级次很高的Rhizocorallium和Thalassinoides最为丰富;军马场剖面产出5个遗迹属,同样以Rhizocorallium和Thalassinoides为主,同时以虫管网络极其复杂的Zoophycos出现为特征。Zoophycos在安尼期地层中的出现,代表了该遗迹属在二叠纪末大灭绝之后的地层中最早的记录。安尼期的遗迹化石潜穴直径非常大,Rhizocorallium和Thalassinoides直径超过20 mm,在地层垂向上的渗透深度超过10 cm,基底地层生物扰动程度比较强烈。全球同期遗迹化石组合通常都只有非常低的分异度,但其造迹行为复杂度高、遗迹垂向渗透较深、地层生物扰动程度强烈,指示复苏的最高阶段(第4阶段)。当时较低的分异度可能表明生态等级较高的遗迹类群的出现,破坏了大量保存在浅层或层面上的简单类型遗迹,反映了遗迹化石的埋藏学特性,而与环境压力无关。(4)本论文对产自华南地区十条下-中三叠统地层剖面中的Rhizocorallium遗迹属进行了全面的生态分析。该遗迹属以复杂的虫管网络系统为特征,通常被作为指示生物复苏高级阶段的最重要标志性遗迹分子之一。Rhizocorallium在早、中三叠世全球的时空分布显示,该属在早三叠世格里斯巴赫至斯密斯亚期零星出现,而在斯帕斯亚期大量繁盛,并在地理空间上迅速扩展;至中三叠世安尼期该遗迹属在全球范围内广泛分布。Rhizocorallium的遗迹种丰富度的峰值和造迹行为复杂度的最高值出现在斯帕斯亚期和安尼期两个时期。其潜穴直径从格里斯巴赫亚期至斯帕斯亚期呈现逐渐增加的趋势,紧接着从斯帕斯亚期至安尼期则更进一步明显地增加。潜穴垂直渗入沉积物的深度在斯帕斯亚期以前最浅,而从斯帕斯亚期至安尼期则逐渐增加。其基底生物扰动程度在斯帕斯亚期和安尼期较其它时期相对较高。Rhizocorallium的所有遗迹种在早、中三叠世时期共分布于七种生态环境中,其中分布最广的是碳酸盐台地内泻湖环境。斯帕斯亚期之前的Rhizocorallium虫管直径较小,垂直渗入地层的深度较浅,遗迹种类型单一,生态和环境分布局限,指示了生物复苏的初级阶段。尽管斯帕斯亚期的Rhizocorallium具有较高的遗迹种丰富度和造迹行为的复杂度,以及生活环境和地理空间的拓宽,但大多数虫管的直径仍然较小,因此只能指示生物复苏的第2-3阶段。相反,安尼期Rhizocorallium的上述各种遗迹生态指标都明显增大,指示了生态复苏的最高阶段。总体上,Rhizocorallium在早-中三叠世呈现出一个阶梯式复苏模式:在格里斯巴赫-晚斯密斯亚期零星、意外反弹,在斯帕斯亚期复苏程度明显提高,至安尼中晚期全面复苏。
【学位单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P534.51;Q911.28;Q178.53
【部分图文】：

化石个体较小，直径通常小于 5 毫米，分异度很低，主要 Planolites，遗迹化石的垂向延伸深度很浅，代表最低的生迹化石分异度开始增加，遗迹类型可能增加到 5 个，最主遗迹如 Arenicolites 或者 Diplocraterion 开始出现，这些垂直化石生态等级显著增加；第三阶段的遗迹化石更进一步多样 10 个属，甚至更多，更显著的变化是遗迹化石复杂度的增复杂结构的遗迹如回填（蹼状）构造的 Rhizocorallium 和三inoides 的出现，此外，遗迹化石直径显著增大，但大多数虫第四阶段遗迹化石特点是以复杂类型的 Rhizocorallium 和 Th直径大于 20 mm，遗迹化石分异度高，通常是恢复到灭绝大于 10 个。应用这些模式通过对遗迹化石的半定量分析，系提供有效的评估。后来，Pietsch and Bottjer（2014）增加指标来辅助评价生物个体和生态系统的复苏过程和程度。虽该模式有许多地方需要完善，但它最大的优点在于该模式的型推测出来的不同地区和环境中的复苏阶段彼此可以进行对

第二章 研究剖面地质背景介绍及遗迹化石的地层分布2.1 西北地区2.1.1 陕西省岐山县后周公庙剖面中晚二叠世时期，随着柴达木、塔里木和西伯利亚-蒙古等古板块的拼合，中国华北板块开始抬升，并暴露出地表(王鸿祯，1985； Zhai et al., 2000; Zheng et al.,2013; Liu et al., 2015)。因此，整个华北地区上二叠统至下三叠统的地层序列以河流湖泊相沉积为主要特征（Yu et al., 2005; Chu et al., 2015, 2017; Tu et al., 2016）。然而，由于华北板块的南缘面临古特提斯洋的北缘，在早三叠世最早期的海侵运动过程中，使得在华北板块南缘局部地区形成海湾，如陕西渭河以北和南祁连等地区（殷鸿福和林和茂，1979；杨遵仪等，1979，1983；赖旭龙等，1995；刘淑文和和政军，2000；Xu et al., 2017）（图 2.1）。

14 冯学谦: 中国南方和西北地区早 中三叠世遗迹化石生态特征及其对海洋生态系统复苏过程的响应后周公庙剖面（34 35’2.1’’ N，107 35’50.2’’ E）位于陕西省岐山县西方乡以西2 Km（图 2.2）。这里出露了晚二叠世至早三叠世海陆交互相的硅质碎屑地层（殷鸿福和林和茂，1979；刘淑文，1982；程政武等，1983）。下三叠统的地层序列从下往上依次为孙家沟组的上部、刘家沟组、和尚沟组。除了二叠系-三叠系界线附近的海相夹层外，这些地层单元与整个华北板块大部分地区同时期的地层是一致的（Chu et al., 2015, 2017; Tu et al., 2016）。孙家沟组下部由灰色，厚层砂岩与绿色，薄层粉砂岩互层；中部为浅红色砂岩与绿色泥岩互层；上部由薄层灰岩与粉砂岩、淡紫色泥岩互层。孙家沟组底部是一套灰色、厚层砂岩，出露较差。中部红色砂岩层厚度约 80 米，实体化石和遗迹化石均较少见，但产出一些尺寸很小、简单、水平分布的 Planolites 遗迹。上部的薄层粉砂岩和泥岩以及灰岩和砂岩透镜体产丰富的双壳、叶肢介、遗迹化石组合。本文研究的遗迹化石组合即产自孙家沟组上部的粉砂岩、泥岩以及砂岩透镜体中（图 2.3）。

本文编号：2857585